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Farbig Drucken in 3D

Infotech
Farbig Drucken in 3D

Mit einer neuen Technik soll es möglich werden, Objekte aus dem 3D-Drucker Teilchen für Teilchen einzufärben.

3D-Drucker gelten als Revolution in der Welt des Designs: Nie war es so einfach, Gegenstände aus dem Computer in greifbare Wirklichkeit zu verwandeln. Doch jeder, der schon einmal mit einem der Geräte gespielt hat, weiß, dass es noch ein signifikantes Problem zu lösen gibt: Die Drucker spucken Objekte derzeit normalerweise nur in einer Farbe aus – oder sind zumindest auf ein nur kleines Repertoire an Einfärbungen beschränkt.

Forscher um den IT-Wissenschaftler Alan Brunton vom Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung (IGD) in Darmstadt haben nun eine Software [1] entwickelt, mit der 3D-Druck wirklich farbig werden soll – so lassen sich damit Gegenstände originalgetreu nachbauen.

Ausgangspunkt ist eine relativ neue 3D-Druckmethode, die anders arbeitet als bisherige. Normalerweise werden Objekte in den Geräten Schicht für Schicht aufgebaut – mittels spezieller Pulver oder der Extrusion heißen Kunststoffs, der sofort aushärtet. Beide Ansätze erlauben nur wenig Kontrolle über die Farbe des gedruckten Gegenstandes.

Besser wäre daher eine Methode, mit der Objekte "Pixel für Pixel" aufgebaut werden, wie man es vom 2D-Tintenstrahldruck her kennt. Das Äquivalent in der 3D-Welt wären Voxel.

Im letzten Jahr kam genau eine solche Technik auf den Markt. Sie nutzt eine Anzahl von Tintenstrahldüsen, um den zu druckenden Gegenstand Tropfen für Tropfen aufzubauen. Diese Tropfen härten mittels ultraviolettem Licht sofort aus. Das erlaubt eine deutlich genauere Farbkontrolle, weil jeder Tropfen als Voxel angesprochen werden kann. Diesen Ansatz nutzen auch Brunton und sein Team, mussten dafür aber eine eigene Software entwickeln.

Das erste Problem ist die schiere Menge an Daten und deren Verarbeitung, um ein virtuelles farbiges 3D-Objekt zusammenzubauen – noch bevor der Druck überhaupt beginnt. Die Tropfen aus den Tintenstrahldüsen sind winzig – 18 Millionen von ihnen passen in einen festen Kubikzentimeter. Jedes etwas größere Objekt besteht dementsprechend aus einer zweistelligen Milliardenzahl von Voxeln. Es ist daher notwendig, dass die Auswirkungen der Farbe jedes einzelnen Voxels auf das Gesamtbild berechnet werden.

Problem Nummer zwei: Die Tropfen sind teilweise durchsichtig, weil das UV-Licht sie zwecks Härtung durchdringen können muss. Das wirkt sich wiederum auf das Aussehen des Gegenstands aus, weil das Licht mehrere Schichten der Voxel durchdringt und dabei gestreut wird. Das bedeutet, dass die Tropfenfarbe genau kontrolliert werden muss – und zwar bis in eine Tiefe mehrerer Voxel. Das wiederum verkompliziert die verwendeten Algorithmen zur Farbberechnung.

Letztes Problem ist der 3D-Druck an sich. Bei 2D-Tintenstrahlern ist es möglich, bis zu drei verschiedene Farben zu einem Punkt eines Bildes zu kombinieren. Beim 3D-Druck ist jedes Tröpfchen ein einzelner Materialbestandteil, was die Möglichkeiten von Farbkombinationen einschränkt.

Brunton und sein Team haben hier wichtige Fortschritte gemacht: Sie bringen mit ihrer Software mehrere Dekaden der Farbmanagemententwicklung im 2D-Druck in den 3D-Bereich. Dabei werden zwei Techniken kombiniert. Die erste ist das 3D-Äquivalent eines 2D-Verfahrens zu Erstellung farbiger Flächen – das sogenannte Half-Toning. Methode zwei ist ein Ansatz zur Berechnung der Farbe einer Oberfläche unter Beachtung der Tatsache, dass das Licht durch das Durchdringen der Voxelschichten gestreut wurde.

Das Endergebnis ist beeindruckend. Echte und 3D-Objekte sind bei den bisher gezeigten Prototypen kaum zu unterscheiden. Brunton und sein Team wollen das Verfahren aber noch verfeinern. In naher Zukunft könnten Materialwissenschaftler weniger durchsichtigere Druckmaterialien entwickeln – bei gleichzeitig weiter verbesserter Auflösung. Die Algorithmen des Fraunhofer-Teams sind dafür leicht anpassbar.

Auch sehr interessant wäre eine Kombination aus durchsichtiger und undurchsichtiger Tinte, mit der es sogar möglich wäre, die Oberfläche vieler biologischer Materialien nachzuahmen, die ebenfalls teilweise durchsichtig sind – wie etwa Haut. Es dürfte nicht mehr lange dauern, bis heutige Top-3D-Drucker ganz schön alt aussehen.


URL dieses Artikels:
http://www.heise.de/-2735204

Links in diesem Artikel:
[1] http://arxiv.org/abs/1506.02400